CN110603818A - Mems声音传感器、mems麦克风及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种MEMS声音传感器，包括：基板；设置在基板上的第一声音传感单元和第二声音传感单元；其中第一声音传感单元用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音；第一声音传感单元包括第一背板，第一振膜，与第一背板相对设置且与第一背板之间存在间隙；第一振膜与第一背板构成电容结构，基板上开设有第一背洞以裸露第一振膜，及第一连接柱，以将第一振膜悬挂于第一背板上；第一振膜的边缘区域设置有至少一个质量块；第一背板上设置有开口。

Description

MEMS声音传感器、MEMS麦克风及电子设备

技术领域

本发明涉及麦克风技术领域，特别是涉及一种MEMS声音传感器及其制备方法、MEMS麦克风及电子设备。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风是基于MEMS技术制造的电能换声器，具有体积小、频响特性好以及噪声低等优点。随着电子设备的小型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。MEMS声音传感器是MEMS麦克风中的关键器件，其性能直接影响整个MEMS麦克风的性能。传统的MEMS声音传感器通常只能工作在环境噪声较小的场景中，一旦环境噪声增大则无法检测到期望的声音，需要增设其他的传感器来进行工作，从而不利于实现产品的小型化。

发明内容

根据本申请的各种实施例，提供一种MEMS声音传感器、MEMS麦克风及电子设备。

一种MEMS声音传感器，包括：基板；设置在所述基板上的第一声音传感单元；以及设置在所述基板上的第二声音传感单元；所述第二声音传感单元与所述第一声音传感单元之间电性隔离；其中所述第一声音传感单元用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音；所述第一声音传感单元包括第一背板，通过第一绝缘层设置在所述基板上，第一振膜，与所述第一背板相对设置且与所述第一背板之间存在间隙；所述第一振膜与所述第一背板构成电容结构，所述基板上开设有第一背洞以裸露所述第一振膜，及第一连接柱，包括相对设置的第一端和第二端；所述第一连接柱的第一端与所述第一背板固定连接，所述第一连接柱的第二端与所述第一振膜的中间区域电性连接，以将所述第一振膜悬挂于所述第一背板上；所述第一振膜的边缘区域设置有至少一个质量块；所述第一背板上设置有开口；所述开口用于裸露所述质量块以使得所述质量块与所述第一背板之间存在间隙，或者所述开口作为所述第一背板上的声孔。

一种MEMS麦克风，包括印刷电路板、设置于所述印刷电路板上的MEMS声音传感器和设置于所述印刷电路板上的集成电路；所述MEMS麦克风采用如前述任一实施例所述的MEMS声音传感器。

一种电子设备，包括设备本体以及设置在所述设备本体上的MEMS麦克风；所述MEMS麦克风采用如前所述的MEMS麦克风。

本申请的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本申请的其他特征、目的和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得明显。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为第一实施例中的MEMS声音传感器的剖视图。

图2～4为第二～第四实施例中的第一声音传感单元的剖视图。

图5为一实施例中形成质量块中的第二子部分的示意图。

图6为第五实施例中的第一声音传感单元的剖视图。

图7为第一实施例中的第二振膜的结构示意图。

图8为第二实施例中的第二振膜的局部示意图。

图9为图8中的弹性结构在打开状态的示意图。

图10～11为第三和第四实施例中的第二振膜的局部示意图。

图12为图11中的褶皱结构的剖视图。

图13为第五实施例中的第二振膜的局部示意图。

图14为一实施例中的MEMS麦克风的结构示意图。

图15为另一实施例中的MEMS麦克风的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

图1为一实施例中的MEMS声音传感器的结构示意图。图1为一实施例中的MEMS声音传感器的结构示意图。该MEMS声音传感器也可以称之为MEMS传感器或者MEMS芯片。该MEMS声音传感器包括基板110、形成在基板110上的第一声音传感单元200以及形成在基板110上的第二声音传感单元300。第一声音传感单元200和第二声音传感单元300相互电性绝缘。其中，第一声音传感单元200可以用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音，也即该第一声音传感单元200可以对声音所引起的空气声压变化进行检测来实现声音检测，也可以通过对声音或者机械外力所引起的振动来实现声音检测。可以理解，本案中所指的振动以由于声音或者机械外力所引起的骨头比如耳骨或者其他固体的振动为例。第二声音传感单元300可以采用传统的MEMS声音传感器的结构，也可以采用与第一声音传感单元200相同的结构。在本实施例中，第二声音传感单元300用于通过空气声压的变化来实现声音检测。

上述MEMS声音传感器中集成有两个声音传感单元，因此在声音检测过程中两个声音传感器单元可以同时工作，从而根据二者的检测结果来进行声音的检测识别，具有较高的准确性。并且本实施例中，第一声音传感单元200除了可以通过空气声压变化来检测声音之外还可以根据机械振动来实现声音检测。因此在环境噪声较大的情况下，可以将MEMS声音传感器放置于靠近人体耳骨或者声带等固体物质，从而通过对说话过程引起的振动的检测来实现对声音的检测。当环境噪声较小时，且未靠近人体耳骨或者声带等固体物质时，则可以通过第一声音传感单元200以及第二声音传感单元300对空气声压的变化进行检测并输出，此时处理声音信号的集成芯片可以根据预定算法对二者输出的声音进行计算处理，从而得到较为理想的声音信号，提高整个器件的信噪比。

上述MEMS声音传感器通过将第一声音传感单元200和第二声音传感单元300集成在同一个基板上，相对于独立设置的结构而言，具有更小的产品体积，有利于实现产品的小型化。在一实施例中，第一声音传感单元200和第二声音传感单元300在制备过程为一体形成，均采用MEMS制备工艺，从而可以简化整个生产流程，极大的提高了生产效率。

在本实施例中，基板110上形成有第一绝缘层120。第一声音传感单元200包括第一背板210、第一振膜220和第一连接柱230。第一背板210也可以称之为背极板。第一背板210设置在第一绝缘层120上。第一振膜220与第一背板210相对设置，且二者之间形成有间隙20。间隙20内并不填充其他物质，为空气间隙。第一振膜220与第一背板210构成电容结构。在本实施例中，并不对第一振膜220的形状进行特别限定。例如，第一振膜220可以为圆形、方形等形状。基板110上开设有第一背洞112以裸露第一振膜220。第一连接柱230包括相对设置的第一端230a和第二端230b。其中，第一端230a与第一背板210固定连接。第二端230b与第一振膜220的中间区域连接，且与第一振膜220为电性连接。第一连接柱230通过第二端230b与第一振膜220连接，从而将第一振膜220悬挂于背板上。悬挂后的第一振膜220四周的边缘区域无需其他固定结构来对其进行支撑固定，从而可以较大程度提高整个第一振膜220的灵敏度，满足人们的使用需求。在本实施例中，第一振膜220的边缘区域设置有至少一个质量块222。在本案中，边缘区域是相对于中间区域而言的，也即边缘区域为远离第一连接柱230的区域。在本实施例中，第一背板210上对应于质量块222的区域开设有开口22，以裸露并释放该质量块222，并使得质量块222与第一背板210之间存在间隙24。

在一实施例中，基板110可以直接为硅衬底。可以理解，基板110也还可以为其他基底结构，比如SOI基底。第一绝缘层110可以为介电氧化层，比如采用二氧化硅等。基板110上还形成有制备第一振膜220时形成的材料层130以及用于隔离材料层130和基板110的介电氧化层140。第一振膜220可以此采用单晶珪、多晶硅、氮化硅、富硅氮化硅、硅锗化合物(SiGe)或者金属等。其中，金属可以为铝(Al)、铝铜合金(AlCu)、铂(Pt)以及金(Au)等。因此，材料层130也可以采用前述任意一种材料。当第一振膜220采用氮化硅或者富硅氮化硅作为材料时，还需要在表面加一层导电材料当做第一振膜220的电极。在本实施例中，第一振膜220与基板110完全隔离，也即第一振膜220完全由第一连接柱230进行悬挂连接，而无需借用其他的固定结构对第一振膜220的周边进行固定。悬挂式的第一振膜220的周边都是悬空的，可以释放残余应力，从而使得第一振膜220具有较高的灵敏度。在一实施例中，第一振膜220进行了必要的掺杂或者离子注入。掺杂可以为N型掺杂也可以为P型掺杂，从而使得第一振膜220具有较好的导电性能。在一实施例中，当第一背板210中的导电层采用多晶硅或者硅锗化合物时，同样需要掺杂或者离子注入(doping or ion implantation)，使得背板具有较好的导电性能。

对于第一声音传感单元200而言，当声音引起空气声压变化时，空气会经过第一背板210上的开口22，并经过间隙24进入到第一背板210和第一振膜220之间的间隙20中，从而使得第一振膜220在该气压或者声压的作用下发生振动、或者第一振膜220下方气压变化直接推动第一振膜220使得第一振膜220发生振动，电容结构会产生变化的电容，实现对声波的探测。可以通过ASIC(Application Specific Integrated Circuit，集成电路)芯片对该变化的电容信号进行处理并输出声电转换后的电信号。当气压或者声压引起电容变化时，由于第一振膜220的边缘区域设置有质量块222，即便是较小气压变化也能够产生较大的力矩，从而使得第一振膜220产生较为明显的振动，极大地提高了第一声音传感单元200的灵敏度。并且，由于空气可以直接由开口22进入，并经由质量块222与第一背板210之间的间隙24进入引起第一振膜220的振动，因此第一背板210可以不开设声孔，从而使得第一背板210中的电极面积较大，确保第一声音传感单元200具有高电容变化，进一步提高了检测过程的灵敏度。其中，质量块222与第一背板210之间的间隙24可以根据需要进行设置，以尽可能降低空气进出间隙20时存在的阻尼效应。

当上述第一声音传感单元200与人体传导声音的骨头(比如耳骨、声带等)直接或者间接接触(通常是第一振膜220所在一侧靠近耳骨)时，由于说话过程中相应的骨头会发生机械振动，该机械振动会引起第一振膜220发生振动。由于第一振膜220的边缘区域设置有质量块222，从而即便是较小的机械振动也能够引起第一振膜220的振动，实现对该声音的检测，也即该第一声音传感单元200具有较高的灵敏度。本实施例中的第一声音传感单元200能够作为振动传感器工作，从而在用户处于嘈杂环境中时，可以将其与人体的声音传导组织(如耳骨)进行接触，通过检测人说话时引起的固态物质的振动实现对声音的检测，整个检测过程中不会受到环境噪声的干扰，使得整个第一声音传感单元200具有较高的信噪比。

第一振膜220中的质量块222包括第一部分222a和第二部分222b中的至少一种。其中，第一部分222a形成于第一振膜220的上表面，第二部分222b形成于第一振膜220的下表面。在本案中，以第一振膜220朝向第一背板210的一面为上表面，远离第一背板210的一面为下表面。质量块222可以根据需要进行选择性设置，比如仅仅设置第一部分222a或者第二部分222b，也可以同时设置。第一部分222a和第二部分222b的质量可以调整，从而实现对整个质量块222的质量调整，进而实现对整个MEMS振动传感器的感应频段的调整。在本实施例中，第一声音传感单元200的频率检测范围为20Hz～20KHz。在图1中，质量块222同时包括第一部分222a和第二部分222b。

在一实施例中，第一背板210包括第一导电层214以及包覆第一导电层214的保护层。具体地，参见图1，第一背板210包括依次层叠设置的第一保护层216、第一导电层214和第二保护层212。其中，第一保护层216位于第一背板210上靠近第一振膜220的一侧。第一导电层214为图形化层。第二保护层212则形成在第一保护层216上并完全覆盖第一导电层214，也即第一导电层214被第一保护层216和第二保护层212所包裹。开口22贯穿整个第一保护层216和第二保护层212，从而将外部的声音信号通过间隙24传递至间隙20，并使得第一振膜220发生振动；或者外部的声音信号由第一振膜220的下方穿过间隙20后再穿过开口22。第一保护层216和第二保护层212均钝化层，确保设置在两层中的第一导电层214可以与空气中的腐蚀性气体隔离，并且可以避免在不良环境如潮湿环境下的第一背板210和第一振膜220之间的漏电。第一保护层216和第二保护层212可以采用氮化硅(siliconnitride)、富硅氮化硅(si-rich silicon nitride)。在一实施例中，第一保护层216和第二保护层212表面必须是或者处理成非亲水性，也即第一保护层216和第二保护层212的表面均为非亲水性表面。例如若有很薄的氧化硅材料没有完全被移除干净，因而附在保护层上，也会造成保护层具亲水性(hydrophilic)；或者是保护层氮化硅(silicon nitride)、富硅氮化硅(si-rich silicon nitride)本身半导体工艺完毕后，还是具有一定程度的亲水性，这时候我们可以对MEMS传感器做防粘涂料(anti-stiction coating)，改变保护层表面特性，使其变成非亲水表面。

图形化的第一导电层214包括背板电极214a和振膜引出电极214b。第一导电层214可以为多晶硅层、硅锗化合物(SiGe)层或者金属层。其中，金属层的金属可以为铝(Al)、铝铜合金(AlCu)、铂(Pt)以及金(Au)等。在本实施例中，第一导电层214和第一振膜220的材料均为多晶硅(poly Si)。上述第一声音传感单元200上还形成有背板焊盘242和振膜焊盘244，如图1所示。背板焊盘242形成在背板电极214a上，振膜焊盘244则形成在振膜引出电极214b上，以分别实现背板电极、第一振膜220与外部的电气连接。

在一实施例中，质量块222的第一部分222a与第一背板210的第一导电层214在同一工艺步骤中形成，也即通过对形成在第一振膜220上方的第一绝缘层120以及第一保护层216进行刻蚀直至达到第一振膜220停止，然后进行导电层的填充(比如填充多晶硅polysilicon)，一体形成用于制备第一部分222a以及第一背板210中的导电层。由于需要填充前面刻蚀的槽洞，此时形成的导电层的厚度较厚，此时需要用CMP(Chemical MechanicalPolishing process,机械化学研磨制程)或者硅刻蚀制程把形成的导电层刻蚀到想要的背板电极的厚度。此时，第一部分222a和第一导电层214是一体结构，需要通过刻蚀工艺在背板电极层上形成开口22，以将第一导电层214与第一部分222a进行分离，进而形成质量块222与第一背板210之间的间隙24。间隙24可以自定义，间隙24大，可以降低空气阻尼。在一实施例中，还可以根据质量块222的第一部分222a的厚度来生成导电层，然后再将导电层刻蚀到背板电极的厚度，并将第一部分222a与第一背板210分离开来。此时第一部分222a的高度可以低于导电层所在的平面，如图2所示。在其他的实施例中，第一背板210上除了形成开口22之外，还可以开设有声孔218，如图3所示，从而可以进一步降低空气阻尼。

在一实施例中，第二部分222b与第一振膜220在同一工艺步骤中形成。具体地，在形成第一振膜220之前，先对对应区域的介电氧化层140进行部分刻蚀，或者完全刻蚀甚至刻蚀至基板110的硅衬底上。刻蚀过程的终点可以根据第二部分222b的质量进行确定。在刻蚀完成后，在基板110的上方形成用于制备第一振膜220的材料层，在形成过程中会将该刻蚀区域进行填充，从而形成均具有该第二部分222b的第一振膜220。

在另一实施例中，第二部分222b包括第一子部分222b1和第二子部分222b2，如图4所示。其中，第一子部分222b1与前一实施例中形成第二部分222b的方法相同，与第一振膜220在同一工艺步骤中形成。第二子部分222b2则通过对基板110进行刻蚀得到，参见图5。具体地，先用定义有质量块222的形状的掩膜版对基板110进行刻蚀，在基板110上对应位置形成具有质量块形状的凸起10，然后对整个第一振膜220所在区域进行同步刻蚀，直至刻蚀至介电氧化层140时停止刻蚀，从而形成质量块222的第二子部分222b2。第二子部分222b2和第一子部分222b1以及第一振膜220、第一部分222a形成一个整体，此时质量块222具有较大的质量，且位于边缘区域，从而使得整个第一声音传感单元200具有较高的灵敏度。

在一实施例中，第一声音传感单元200中形成的质量块222仅仅包括第二部分222b。也即在本实施例中，第一振膜220的上表面不需要形成质量块，第一背板210上也无需开设用于裸露质量块的开口。此时，开设在第一背板210上的开口22作为第一背板210的声孔，以降低阻尼，如图6所示。

在一实施例中，第一振膜220包括多个相互独立运动的膜片224，如图7所示。图7为振膜的结构示意图。在本实施例中，第一振膜220包括四个对称分布的膜片224，并且每个膜片224具有相同的结构，也即其上形成有相同的质量块222。通过将第一振膜220设置为多个独立运动的膜片224，可以进一步提高振动检测过程中的灵敏度。在一实施例中，第一振膜220上的各膜片224至少两个具有不同的结构，也即为不对称分布。此时，不同膜片224上均设置有质量块222，每个膜片224上的质量块222可以相同也可以不同，其被设置到对应于膜片224的频率检测范围，比如频率检测范围为20Hz～20KHz。例如，可以在第一振膜220中设置有对应于低频的第一膜片、对应于中频的第二膜片以及对应于高频的第三膜片，从而可以利用低频的第一膜片来实现100Hz～1KHz的频率检测，第二模块来实现1KHz～10KHz的频率检测，而第三膜片则实现10KHz～20KHz的频率检测。在其他的实施例中，不同的膜片224对应于不同的频段，从而使得第一声音传感单元200具有较宽的频段检测范围，实现满足用户对多频段的检测需求。

在一实施例中，各膜片224之间设置有绝缘层以实现各膜片224之间的电性绝缘，使得各膜片224能够相互独立对相应频段的声音进行检测。各膜片224均通过第一连接柱230引出至第一背板210上的对应的振膜引出电极214b中，以通过振膜引出电极214b连接至相应的焊盘。此时第一连接柱230中同样包括多个相互电性绝缘的引出区域，第一背板210中也设置有多个振膜引出电极214b以将每个膜片224引出至相应的焊盘，也即此时各膜片224具有相互独立的电路路径。在其他的实施例中，各膜片224也可以采用同一电路路径进行引出。此情況下，负责感测对应频率波段的膜片224与第一背板210形成电容，产生变容变化讯号，从而由ASIC芯片相应去处理该变化讯号。其他频率波段的膜片224，电容变化讯号较小，ASIC此时不去处理。

在一实施例中，第二端230b的部分材料嵌入第一振膜220。第二端230b与第一振膜220电性连接，从而使得第一连接柱230可以通过振膜引出电极214b将第一振膜220所在电极进行引出。第二端230b至少部分的材料嵌入是指第一连接柱230上部分的层体结构嵌入第一振膜220中或者第一连接柱230上所有的层体结构都嵌入第一振膜220中。在本实施例中，第一连接柱230可以嵌入第一振膜220内部或者嵌入并贯穿第一振膜220。因此，第一连接柱230的第二端230b可以部分不进行嵌入，而部分嵌入第一振膜220内或者嵌入并贯穿第一振膜220。第一连接柱230的第二端230b还可以全部均进行嵌入，但是部分嵌入第一振膜220内，其余则嵌入并贯穿第一振膜220。可以理解，第一连接柱230的第二端230b也可以全部嵌入第一振膜220内或者全部嵌入并贯穿第一振膜220。在本实施例中，第一连接柱230的形状、结构和数目均不作特别限定。例如，第一连接柱230的横截面可以为圆形、矩形、椭圆形、半圆等，只要其能够起到支撑悬挂作用即可。在本案中均以第一连接柱230为圆柱形为例进行说明。第一连接柱230的数目可以一个也可以为两个以上。第一连接柱230的数目也可以根据第一声音传感单元200的尺寸进行确定，比如随着第一声音传感单元200的尺寸的增大相应的增加第一连接柱230的数目或者调整第一连接柱230的横截面积等。

上述第一声音传感单元200，第一连接柱230采用嵌入第一振膜220的方式将第一振膜220悬挂在第一背板210上，实现第一振膜220和第一背板210之间的相对固定。由于将第一连接柱230嵌入第一振膜220，使得第一连接柱230具有与第一振膜220的垂直接合面积和水平接合面积，也即增加了第一连接柱230与第一振膜220之间的接合面积，具有较好的机械连接强度，从而可以提高第一振膜220的抗吹击与抗跌落、滚动、滚筒测试等机械冲击力量的性能。并且，悬挂后的第一振膜220四周无需其他固定结构来对其进行支撑固定，从而可以较大程度提高整个第一振膜220的灵敏度，满足人们的使用需求。

传统的MEMS声音传感器，其振膜机械灵敏度易受半导体工艺残留应力影响，个别MEMS声音传感器容易有变异的情况，造成灵敏度一致性下降，甚至有振膜应力分布不均，造成不稳定(bi-stable)形变的可能性产生，使得最终MEMS麦克风声学性能在使用上有不稳定的情况，甚至超出规格。本申请中的第一声音传感单元200能有较高的机械强度，能够提升抗各种机械冲击力量的能力，利用悬吊式并强化第一连接柱230与第一振膜220的结合强度，使第一振膜220能够自由地顺应外界的机械冲击力量，使第一振膜220成为一种柔性振膜(compliance diaphragm)，不与外界机械冲击力量抵抗。并且本申请中的第一振膜220无外围的固定点或者固支点(diaphragm anchor)，也即振膜外围全部切开，此设计可使半导体工艺造成的残留应力释放，大大提高第一声音传感单元200的性能一致性与可生产制造性，放宽生产制造的制造公差容忍度，使生产制造良率更高。在其他的实施例中，也可以在第一振膜220的周边设置一些类似弹簧的连接结构，与基板110进行连接。可以理解，本实施例中的连接柱230嵌入第一振膜220从而将第一振膜220悬挂至第一背板210的结构并不限于图1所示的结构中，还可以适用于其他比如具有双背板或者双振膜的第一声音传感单元200中。

在一实施例中，第一连接柱230为一个。具体地，第一连接柱230位于第一振膜220中心。其中，第一振膜220为圆形，第一连接柱230为圆柱，也即第一连接柱230的中心轴与第一振膜220的圆心相交。通过将第一连接柱230设置成关于第一振膜220的中心对称，可以使得声压从开口22或者第一振膜220进入间隙20后能够产生最对称的压力作用在第一振膜220上，以提高第一振膜220的灵敏度。

在一实施例中，第一连接柱230可以为多个。多个第一连接柱230关于第一振膜220的中心对称分布，从而使得第一振膜220的各处受力均匀。例如，第一连接柱230可以为四个，对称分布在第一振膜220的中心四周。在一实施例中，多个第一连接柱230均设置在第一振膜220的中心至边缘的距离的二分之一区域以内，从而确保对第一振膜220起到较好的支撑性能并确保第一振膜220具有较高的灵敏度。

在一实施例中，第一连接柱230中嵌入第一振膜220的深度大于或等于第一振膜220的厚度的三分之一，使得第一连接柱230具有与第一振膜220的垂直接合面积和水平接合面积，也即增加了第一连接柱230与第一振膜220之间的接合面积，从而确保第一振膜220与第一连接柱230之间抵抗外界机械冲击的能力更强，满足第一振膜220的抗吹击与抗跌落、滚动以及滚筒测试等机械冲击力量的性能要求。

参见图1，在本实施例中，第一连接柱230包括相互间隔设置的第二绝缘层232和第二导电层234。由于第一连接柱230为圆柱，因此第二绝缘层232和第二导电层234投影在第一振膜220上的形状也即其俯视图均为环形结构。第二绝缘层232和第二导电层234的层数可以根据需要设置，通常从第一连接柱230的中心起依次为第二绝缘层232、第二导电层234、第二绝缘层232……直至最外层的第二导电层234。在图1所示的实施例中，第二导电层234和第二绝缘层232均为两层。其中，第二绝缘层232在制备时与基板110上方的第一绝缘层120在同一道工序中进行制备得到，本实施例中仅仅是为了进行区分将其分别命名为第一绝缘层120和第二绝缘层232。因此，第一绝缘层120和第二绝缘层232的材料相同，均为介电氧化层。

第二导电层234的第一端与振膜引出电极214b一体形成并电连接。第二导电层234的第二端嵌入第一振膜220。第二导电层234的第二端可以嵌入第一振膜220内部，也可以嵌入并贯穿第一振膜220。在本实施例中，第一振膜220、第二导电层234以及第一导电层214的材料相同，例如均为多晶硅。因此，第二导电层234嵌入第一振膜220时属于同种材料的嵌入，不会带来阻抗问题，从而无需额外增加相应的阻抗匹配结构，整体的导电性能较好。

第二导电层234可以包括两种类型，即包括第一类型导电层和第二类型导电层。其中，第一类型导电层的第二端嵌入到第一振膜220内，其嵌入深度大于或者等于第一振膜220的厚度的三分之一并小于第一振膜220的厚度。第二类型导电层的第二端则嵌入并贯穿整个第一振膜220。第一连接柱230中的第二导电层234可以全部为第一类型导电层也可以全部为第二类型导电层。可以理解，第一连接柱230中的第二导电层234也可同时包含有第一类型导电层和第二类型导电层。在图1中，所有的第二导电层234包括第一类型导电层和第二类型导电层。在图6中，所有的第二导电层234均为第二类型导电层。

在一实施例中，第二绝缘层232同样可以嵌入第一振膜220内部，从而进一步增加第一连接柱230与第一振膜220的接合面积，提高第一连接柱230连接第一振膜220的机械强度。第二绝缘层232并不会嵌入并贯穿第一振膜220，也即第二绝缘层232嵌入的深度大于第一振膜220的厚度的三分之一且小于第一振膜220的厚度。当第二绝缘层232嵌入并贯穿第一振膜220时，在释放介电氧化层140(例如为氧化硅时)的时候，就会攻击到第二绝缘层232的材料，会使贯穿第一振膜220的第二绝缘层232的材料被蚀刻而不存在。

在本实施例中，第一保护层216和第二保护层212均采富硅氮化硅。利用这种介电材料包住第一背板210上的第一导电层214和第一连接柱230中的第二导电层234，可以防止电荷残留在第一连接柱230外侧与第一背板210下方。若有电荷残留，则使得第一声音传感单元200没办法有正常的电荷存在两个电极板上，此时第一声音传感单元200没办法正常工作，灵敏度会降低，甚至超出规格。

在一实施例中，第一振膜220上远离第一背板210的一面形成有凸起224。凸起224与第一振膜220为一体形成，也即二者为一整体结构。第一连接柱230上的第二类型导电层会延伸至该凸起224内，从而进一步增加了第一连接柱230与第一振膜220的接合面积，提高了振膜连接的机械强度。第二类型导电层延伸至凸起224内。凸起224包裹住第二类型导电层延伸至该区域内的部分。在图1中，从仰视角度来看，凸起224为中空的环形结构。在其他的实施例中，当第一连接柱230为方形时，凸起224也可以为中空的方形结构，或者整面结构如图6所示。凸起224的厚度可以不做限制。具体地，在形成第一振膜220之前，先对形成的介电氧化层140进行部分刻蚀，或者完全刻蚀甚至刻蚀至基板110的硅衬底上。由于第一振膜220上远离第一背板210的一面对应的区域最终会被刻蚀掉形成第一背洞112，从而使得凸起224的厚度并不会对整体性能产生影响。在刻蚀完成后，在基板110的上方形成用于制备第一振膜220的材料层，在形成过程中会将该刻蚀区域进行填充，从而形成均具有该凸起224的第一振膜220。通过直接在第一振膜220上形成凸起224可以在一定程度提高第一振膜220的刚性。

在一实施例中，第一连接柱230还包括承载部236，如图1所示。承载部236与第一振膜220上远离第一背板210的一面连接。承载部236至少与第一连接柱230中的部分第二类型导电层连接，形成铆钉结构。第一连接柱230嵌入第一振膜220可以提供水平方向上的作用力以实现对第一振膜220的固定，而承载部236的增加可以增大与第一振膜220的水平接触面积，可以增加在竖直方向上的支撑力，从而使得在两个方向上具有支撑力，使得第一连接柱230的支撑强度较强，第一振膜220的稳固性较好。在制备过程中，第一连接柱230中的第二导电层234的边缘位于承载部236的边缘内，因此在制备过程中能有较大的对准误差容忍度，工艺比较好做，不会出现脱裂或者刻蚀难对准的问题。

在一实施例中，第二声音传感单元300包括第二背板310、第二振膜320和第二连接柱330。第二背板310设置在第一绝缘层120上。第二振膜320与第二背板310相对设置，且二者之间形成有间隙。第二振膜320和第二背板310构成电容结构。在本实施例中，同样并不对第二振膜320的形状进行特别限定。例如，第二振膜320可以为圆形、方形等形状。基板110上开设有第二背洞114以裸露第二振膜320。第二连接柱330包括相对设置的第一端330a和第二端330b。其中，第一端330a与第二背板310固定连接。第二端330b与第一振膜220的中间区域连接，且与第二振膜320为电性连接。第二连接柱330通过第二端330b与第二振膜320连接，从而将第二振膜320悬挂于第二背板310上。悬挂后的第二振膜320四周的边缘区域无需其他固定结构来对其进行支撑固定，从而可以较大程度提高整个第二振膜320的灵敏度，满足人们的使用需求。在本实施例中，第二背板310上形成有多个声孔312。

在本实施例中，第二声音传感单元300和第一声音传感单元200同步制备得到。也即，第一背板210和第二背板310在同一工艺制程中制备得到，第一振膜220和第二振膜320在同一工艺制程中制备得到，第一连接柱230和第二连接柱330在同一工艺制程中制备得到。可以理解，在同一工艺制程中得到的各结构具有相同的材料。

在本实施例中，第二声音传感单元300中的第二振膜320中未设置有质量块，其他结构与第一振膜220相同。在其他的实施例中，第二振膜320上也可以根据需要设置有应力释放单元(图中未示)。应力释放单元设置可以设置在第二振膜320的中心至边缘的距离的二分之一以内的区域，从而使得其具有较好的应力释放效果。应力释放单元在完成第二振膜320上的应力释放后，能够调整整个第二振膜320的刚性，从而可以减少由于第二连接柱330嵌入第二振膜320可能带来的应力残留，避免第二振膜320发生形变翘曲。在一实施例中，应力释放单元还可以进行声压或者气压的释放，从而避免第二振膜320在大声压或者气压作用下发生损坏。应力释放单元可以包括弹性结构。具体地，当应力或者外界声压、气压施加到第二振膜320上时，弹性结构可以产生形变，从而实现对应力的释放或者声压、气压的释放，进而避免第二振膜320发生形变翘曲。具体地，应力释放单元为由缝隙形成的弹性结构，或者为由褶皱构成的弹性结构。

在一实施例中，应力释放单元为由缝隙形成的弹性结构322，如图8所示。当外界声压或者气压施加到第二振膜320上时，弹性结构322处于打开状态，如图9所示；当没有外界声压或者气压施加到第二振膜320上时，弹性结构322处于闭合状态。具体地，弹性结构322为多个。多个弹性结构322以第二振膜320的中心也即以第二连接柱330为中心呈环状间隔分布。各弹性结构322均为由开设在第二振膜320上的呈“Ω”形的狭缝形成的结构。在一实施例中，通过“Ω”形的狭缝形成的弹性结构322包括固定部322b和移动部322a。其中，移动部322a的头部为半圆形。固定部322b的宽度小于移动部322a的宽度，从而使得该弹性结构322更容易受力打开，更有利于进行应力的释放和声压的释放。在其他实施例中，移动部322a也可以为方形或者其他合适的图形。

在另一实施例中，弹性结构为由开设在第二振膜320上的弧形的狭缝形成。各狭缝具有相同的弯曲方向。各狭缝的弧度可以相同也可以不同。图10为第二实施例中的振膜的局部结构示意图。在实施例中，第二振膜320上形成由弧形的狭缝322形成的弹性结构。狭缝322为多个，且排布越靠近第二振膜320的中心的狭缝322的弧长越短。多个狭缝322分布在以第二振膜320的中心为中心的圆周上。相邻两个圆环上的狭缝322的方位相同，也即位于同一扇形区域。在其他的实施例中，多个狭缝322也可以令排布越靠近第二振膜320的中心的狭缝322的弧长越长，从而使得弹性结构就有较高的振膜灵敏度。在其他的实施例中，相邻两环上的狭缝所处的方位并不相同，各自错位设置，从而在实现应力释放的同时调整第二振膜320的刚性。

图11为第四实施例中的振膜的局部结构示意图。在本实施例中，应力释放单元为由褶皱构成的弹性结构324。弹性结构324沿着第二振膜320的中心至第二振膜320的边缘方向延伸且包围第二连接柱330所在的区域。弹性结构324的具体结构如图12所示。该弹性结构324为形成在第二振膜320上且与第二振膜320为一体的凹凸结构。

在一实施例中，第二连接柱330为多个，如图13所示。图13为第五实施例中的振膜的结构示意图。在本实施例中，第二振膜320上的应力释放单元还包括由狭缝形成的弹性结构326。弹性结构326位于第二振膜320的中心区域。弹性结构326包括相互连接且具有相同转轴530的第一开合结构510和第二开合结构520。其中，第一开合结构510和第二开合结构520为通过在振膜上形成相应的狭缝并由该狭缝所形成的区域。在一实施例中，第一开合结构510的面积大于第二开合结构520的面积，也即此时的转轴530为非对称式扭转轴，从而使得弹性结构326在气压或者声压的作用下，很容易吹动第一开合结构510，使得第一开合结构510绕转轴530进行转动从而释放气压，起到舒缓大声压的作用，使得声压冲击压力有较快速的释放路径。在另一实施例中，第一开合结构510的面积等于第二开合结构520的面积，也即此时的转轴530为对称式扭转轴。

第二背板310中无需开设开口来释放质量块，而开设有声孔312第二背板310的其他结构可以与第一背板210相同，均设置有振膜引出电极和背板电极以将相应的电极引出至对应的焊盘。第二连接柱330的结构以及第二连接柱330嵌入第二振膜320的方式，均可以参照第一声音传感单元200中的第一连接柱230的设置来进行设置。参见图1，在本实施例中，第一连接柱230和第二连接柱330的结构相同，且嵌入振膜中的方式相同。

在一实施例中，在第二背板310上靠近第二振膜320的一面形成有多个隔离件(dimple or stopper)314。多个隔离件314与第二背板310中的保护层为一体结构。每个隔离件314均沿第二背板310向第二振膜320的方向延伸且不与第二振膜320接触。隔离件314可以避免第二背板310和第二振膜320在外界压力作用下发生形变后相互粘黏住(stickingor stiction)分不开的情况发生，从而进一步提高MEMS声音传感器的稳定性和可靠性。

本申请一实施例还提供一种MEMS麦克风，如图14所示。该MEMS麦克风包括印刷电路板610以及设置在印刷电路板610上的MEMS声音传感器620和集成电路630。集成电路630也可以称之为ASIC芯片。其中，该MEMS声音传感器620采用前述任一实施例所述的MEMS麦克风。本案并不对MEMS麦克风的结构做特别限定。在本实施例中，MEMS声音传感器620中的第一声音传感单元和第二声音传感单元均与同一集成电路630连接，通过同一集成电路630来实现信号的处理和输出，从而有利于减小整个产品的体积，实现产品小型化发展。

在一实施例中，该MEMS麦克风采用倒装工艺(flip chip)进行封装，也即MEMS声音传感器620和集成电路630均采用倒装工艺集成在印刷电路板610上。具体地，MEMS声音传感器620和集成电路630通过不打线的方式直接与印制电路板610上的焊盘连接。比如在本案中，MEMS声音传感器620和集成电路630通过锡球640连接在印制电路板610上，从而实现MEMS声音传感器620和集成电路630与印制电路板610的电性连接。采用这种倒装工艺，可以避免由于引线接合所引起的噪声问题，从而使得整个MEMS麦克风具有较高的信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)。可以理解，为加强MEMS声音传感器620以及集成电路630与印制电路板610之间连接的稳固性，也可以增加其他的固定方式对其进一步进行固定，比如，采用封装胶来进行固定。

上述MEMS麦克风还包括封装壳体650。封装壳体650与印制电路板610相互配合形成用于容纳MEMS声音传感器620和集成电路630的容纳空间。在封装壳体650上靠近MEMS声音传感器620的区域设置用于供气流穿过的穿孔652。在另一实施例中，也可以在印制电路板610上开设穿孔612，如图15所示。

当上述MEMS麦克风没有与耳骨或者声带等固体物质接触时，第一声音传感单元和第二声音传感单元均可以根据空气声压变化实现对声音的检测，集成电路630对二者的检测信息进行处理得到理想结果。当上述MEMS麦克风与耳骨或者声带等引起声音的固体物质接触时，第一声音传感单元可以通过对振动的检测来实现对声音的检测，而第二声音传感单元则可以根据空气声压的变化来实现对声音的检测，集成电路630可以根据二者的检测结果进行处理，得到较为理想处理结果，从而提高整个MEMS麦克风的灵敏度，使其具有较高的信噪比。在将MEMS声音传感器与固体物质接触时，将印制电路板610所在的一侧靠近耳骨或者其他固体物质，从而使得第一振膜非常靠近振动源(图14～图15中，箭头表示振动源)，整个传导路径较短，极大地增强了在倒装结构下的传感信号的有效性，使得MEMS麦克风具有较高的信噪比。

本申请一实施例还提供一种电子设备，包括设备本体以及设置在设备本体上的MEMS麦克风。该MEMS麦克风采用前述任一实施例所述的MEMS声音传感器制备得到。该电子设备可以为手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理、MP3播放器、助听器、电视、电话、会议系统、有线耳机、无线耳机、录音笔、录音设备、线控器等等。

可以理解，本案中所有的附图的尺寸不代表实际比例，且仅仅为示意图，并不构成对本方案的限定。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (27)

1.一种MEMS声音传感器，包括：

基板；

设置在所述基板上的第一声音传感单元；以及

设置在所述基板上的第二声音传感单元；所述第二声音传感单元与所述第一声音传感单元之间电性隔离；

其中所述第一声音传感单元用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音；所述第一声音传感单元包括

第一背板，通过第一绝缘层设置在所述基板上，

第一振膜，与所述第一背板相对设置且与所述第一背板之间存在间隙；所述第一振膜与所述第一背板构成电容结构，所述基板上开设有第一背洞以裸露所述第一振膜，及

第一连接柱，包括相对设置的第一端和第二端；所述第一连接柱的第一端与所述第一背板固定连接，所述第一连接柱的第二端与所述第一振膜的中间区域电性连接，以将所述第一振膜悬挂于所述第一背板上；

所述第一振膜的边缘区域设置有至少一个质量块；所述第一背板上设置有开口；所述开口用于裸露所述质量块以使得所述质量块与所述第一背板之间存在间隙，或者所述开口作为所述第一背板上的声孔。

2.根据权利要求1所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述质量块包括第一部分和第二部分中的至少一种；所述第一部分形成于所述第一振膜上朝向所述第一背板的一面；所述第二部分形成于所述第一振膜上背离所述第一背板的一面。

3.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述质量块至少包括所述第一部分，所述开口用于裸露所述质量块并形成所述质量块和所述第一背板之间的间隙。

4.根据权利要求3所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一背板上还开设有声孔。

5.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述质量块仅包括所述第一部分，所述开口作为开设在所述第一背板上的声孔。

6.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一背板包括导电层以及包覆所述导电层的保护层；所述第一部分与所述第一背板的导电层所在的材料层在同一工艺步骤中形成。

7.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二部分与所述第一振膜所在的材料层在同一工艺步骤中形成；或者

所述第二部分包括第一子部分和第二子部分；所述第一子部分与所述第一振膜所在的材料层在同一工艺步骤中形成；所述第二子部分通过对所述基板进行刻蚀得到。

8.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一振膜包括多个相互独立运动的膜片；每个所述膜片上设置有至少一个质量块；所述膜片上的质量块被设置到对应于所述膜片的频率检测范围。

9.根据权利要求8所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一振膜上至少包括第一膜片、第二膜片和第三膜片；所述第一膜片的频率检测范围为100Hz～1KHz；所述第二膜片的频率检测范围为1KHz～10KHz；所述第三膜片的频率检测范围为10KHz～20KHz。

10.根据权利要求1所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一连接柱的第二端至少部分的材料嵌入所述第一振膜且与所述第一振膜电性连接，以将所述第一振膜悬挂于所述第一背板上。

11.根据权利要求1～10任一所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二声音传感单元包括：

第二背板，通过所述第一绝缘层设置在所述基板上；所述第二背板上开设有声孔；

第二振膜，与所述第二背板相对设置且与所述第二背板之间存在间隙；所述第二振膜和所述第二背板构成电容结构；所述基板上开设有第二背洞以裸露所述第二振膜；以及

第二连接柱，包括相对设置的第一端和第二端；所述第二连接柱的第一端与所述第二背板固定连接；所述第二连接柱的第二端至少部分的材料嵌入所述第二振膜且与所述第二振膜电性连接，以将所述第二振膜悬挂于所述第二背板上。

12.根据权利要求11所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一背板和所述第二背板在同一工艺制程中形成；所述第一振膜和所述第二振膜在同一工艺制程中形成；所述第一连接柱和所述第二连接柱在同一工艺制程中形成。

13.根据权利要求11所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一振膜与所述基板完成分离；所述第二振膜与所述基板完全分离。

14.根据权利要求11所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二背板上朝向所述第二振膜的一面形成有多个隔离件；所述隔离件沿所述第二背板向所述第二振膜延伸且不与所述第二振膜接触。

15.根据权利要求11所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一背板和所述第二背板均包括依次层叠于所述振膜上方的第一保护层、图形化的第一导电层和第二保护层；第二保护层设置在所述第一保护层上且覆盖所述第一导电层；所述开口以及所述声孔贯穿所述第一保护层和所述第二保护层；

所述第一导电层包括彼此分开的背板电极和振膜引出电极；所述第一连接柱和所述第二连接柱均包括相互间隔设置的第二导电层和第二绝缘层；所述第二导电层的第一端与对应的振膜引出电极一体形成；所述第二导电层的第二端嵌入对应的振膜内或者嵌入并贯穿对应的振膜。

16.根据权利要求15所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二导电层包括第一类型导电层和第二类型导电层中的至少一种导电层；所述第一类型导电层的第二端嵌入至所述振膜内；所述第二类型导电层的第二端嵌入并贯穿对应的振膜。

17.根据权利要求16所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一振膜和所述第二振膜中的至少有一个在靠近所述基板的一面形成有凸起；所述第二类型导电层的第二端延伸至对应的凸起内。

18.根据权利要求16所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第一连接柱和所述第二连接柱中的至少一个还包括承载部；所述承载部至少与部分所述第二类型导电层的第二端连接。

19.根据权利要求15～18任一所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二绝缘层的第一端与所述第一保护层连接；所述第二绝缘层的第二端嵌入对应的振膜内。

20.根据权利要求11所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二振膜上设置有应力释放单元；所述应力释放单元设置于所述第二振膜的中心至边缘的距离的二分之一以内的区域；所述应力释放单元用于释放所述第二振膜上产生的应力、并进行声压或者气压的释放。

21.根据权利要求20所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述应力释放单元包括弹性结构；所述弹性结构为由狭缝形成的弹性结构或者具有褶皱的弹性结构；

当所述弹性结构为由狭缝形成的弹性结构时，当外界声压或者气压施加到所述第二振膜上时，所述弹性结构处于打开状态；当没有外界声压或者气压施加到所述第二振膜上时，所述弹性结构处于闭合状态；

当所述弹性结构为具有褶皱的弹性结构时，所述弹性结构沿所述第二振膜的中心至第二振膜的边缘的方向延伸且包围所述第二连接柱。

22.根据权利要求21所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二连接柱为多个；多个所述第二连接柱关于所述第二振膜的中心对称分布；所述由狭缝形成的弹性结构包括相互连接且具有相同转轴的第一开合结构和第二开合结构；所述第一开合结构的面积大于所述第二开合结构的面积，所述转轴为非对称式扭转轴；或者所述第一开合结构的面积等于所述第二开合结构的面积，所述转轴为对称式扭转轴。

23.一种MEMS麦克风，包括印刷电路板、设置于所述印刷电路板上的MEMS声音传感器和设置于所述印刷电路板上的集成电路；其特征在于，所述MEMS麦克风采用如权利要求1～22任一所述的MEMS声音传感器。

24.根据权利要求23所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS声音传感器中的第一声音传感单元和所述第二声音传感单元均与所述集成电路连接。

25.根据权利要求23所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS声音传感器和所述集成电路采用倒装工艺集成在所述印刷电路板上。

26.根据权利要求23所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括封装壳体；所述封装壳体与所述印制电路板相互配合形成用于容纳所述MEMS声音传感器和所述集成电路的容纳空间；所述封装壳体和所述印制电路板中至少有一个在靠近所述MEMS声音传感器的区域开设有供气流穿过的穿孔。

27.一种电子设备，包括设备本体以及设置在所述设备本体上的MEMS麦克风；其特征在于，所述MEMS麦克风采用如权利要求23～26任一所述的MEMS麦克风。